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TORRI DI RAFFREDDAMENTO

Parliamo di sistemi per il raffreddamento dell'acqua. Negli impianti che abbiamo visto finora, l'acqua si raffredda perché cede la sua potenza termica e ritorna in caldaia a una temperatura bassa, per poi ricominciare il ciclo. Se facciamo riferimento ai grossi quantitativi di acqua delle centrali a vapore, vediamo che un elemento che caratterizza questi impianti è sicuramente il condensatore. Esso è uno scambiatore di calore dove entra vapore che viene fuori dalla turbina. Il vapore viene condensato scambiando calore con acqua. L'acqua del condensatore, e che quindi va a condensare e a raffreddare il vapore, si riscalda. L'acqua che serve a questi scopi ha un quantitativo molto elevato. Le grosse centrali, infatti, si trovano in prossimità di fiumi, per cui quest'acqua viene scaricata in un corso d'acqua e prelevata dal corso d'acqua stesso. Lì dove questa possibilità non ci sia,

quest’acqua deve essere raffreddata in modo opportuno. Il sistema che andremo a studiare in questa lezione servirà a raffreddare l’acqua calda per poter essereriutilizzata. E’ un risparmio della risorsa idrica. Non solo: l’acqua calda buttata all’interno di fiumi e mari, infatti, ha notevoli impatti anche sull’ambiente.

Vediamo quali sono i dispositivi che ci consentono di effettuare questo tipo di raffreddamento dell’acqua.

Lo scambio termico per cui si raffredda l’acqua e’ uno scambio termico che avviene con aria. L’acqua sitrova generalmente a una temperatura che può stare tra i 90 e i 95 °C, mentre l’aria si trova alle condizioniambiente. Si crea un Δt tra l’aria che e’ fredda e l’acqua che va raffreddata.

Bisogna dunque avere degli scambiatori a miscela in cui l’aria fredda viene a contatto con l’acqua: l’aria siriscalda, l’acqua si raffredda.

Il fenomeno

di scambio termico che subentra non è di tipo convettivo o per irraggiamento: questi tipi di scambio termico sicuramente hanno la loro importanza, ma la quantità di calore che viene asportata dall'acqua tramite questo scambio termico è veramente limitata perché è limitato il ΔT. Quello che invece è il fenomeno importante per cui avviene questo raffreddamento dell'acqua è un fenomeno auto evaporativo: l'aria ha una certa percentuale di umidità; se l'aria ha una bassa percentuale di umidità, per cui ha possibilità di incamerare acqua, allora il fenomeno che ci consente di raffreddare l'acqua è proprio l'autoevaporazione. Il fenomeno della evaporazione è un fenomeno che assorbe calore e quindi preleva calore dall'acqua in quanto essa evapora, mentre l'aria si riempie di questa percentuale di acqua evaporata. L'aria diventa satura, mentre l'acqua siraffredda per il fenomeno dell'autoevaporazione. Il fenomeno di scambio termico che interviene quando c'è questo scambio con l'aria è l'autoevaporazione. Questo dipende tantissimo dalle condizioni atmosferiche, quindi dall'aria e dalla percentuale di umidità relativa dell'aria, e dalla superficie di scambio termico. Infatti, come in uno scambiatore, visto che il ΔT tra aria e acqua è comunque limitato, allora per avere una maggiore efficienza di scambio termico abbiamo bisogno di una grande superficie di scambio. I parametri essenziali e fondamentali affinché ci sia un raffreddamento dell'acqua sono l'aria con bassa percentuale di umidità e una grande superficie di scambio. Maggio Pagina 188 Vediamo adesso quali sono i dispositivi che ci consentono di realizzare queste condizioni, concentrandoci in particolare sulle torri di raffreddamento a tiraggio naturale e meccanico. Bacini semplici Ovviamente, la cosaspruzzo sono una soluzione più efficiente in termini di spazio. Invece di avere grandi bacini, si utilizzano piccoli spruzzatori che nebulizzano l'acqua nell'aria. Questo crea una maggiore superficie di scambio tra aria e acqua, consentendo un migliore scambio termico. Inoltre, l'utilizzo di bacini a spruzzo riduce i costi di esercizio e di impianto. Non è necessario acquisire nuovi terreni per costruire grandi bacini, ma è sufficiente installare gli spruzzatori in un'area più piccola. Ciò significa anche che l'effetto raffreddante è meno influenzato dalle condizioni climatiche, riducendo i costi associati. In conclusione, l'utilizzo di bacini a spruzzo è una soluzione più efficiente e conveniente per ottenere grandi superfici di scambio. Riduce i costi e l'impatto ambientale, consentendo un migliore controllo del processo di raffreddamento.spruzzoL'acqua da raffreddare viene convogliata all'interno di questi e viene spruzzata. In questo modo, quando l'acqua viene resa in forma di , aumentiamo la superficie di scambio. Riduciamo la superficie del bacino all'interno del quale poi cade quest'acqua, ma la superficie di scambio tra aria e acqua aumenta perché appunto viene resa sotto forma di goccioline, aumentando la superficie di scambio. L'effetto di questi è quello di limitare la superficie dello specchio d'acqua a disposizione, rendendola sotto forma di . - costi di impianto più alti rispetto al caso precedente, avendo bisogno di sistemi per pompare l'acqua e atomizzare la stessa; - Perdite legate al trascinamento delle goccioline da parte del vento; abbiamo quindi bisogno di reintegrare acqua. Questo sarà uno dei problemi delle torri evaporative, in quanto questa parte di acqua che evapora per ilfenomeno dell'autoevaporazione andrà comunque reintegrata. Quando si realizza un circuito di questo tipo, abbiamo bisogno di acqua di reintegro e quindi non è un circuito chiuso. - Superfici RIDOTTE; Maggio Pagina 189 Dispositivi che troviamo ancora più frequentemente e che limitano il problema delle goccioline che vengono trascinate via sono le torri atmosferiche. Torri evaporative: L'acqua da raffreddare continua a essere spruzzata dall'alto. L'aria che va a raffreddare quest'acqua ha un flusso trasversale rispetto alla stessa. Lateralmente, proprio per evitare il trascinamento dell'acqua e per ridurre quindi l'acqua di reintegro, abbiamo delle persiane. Torri a tiraggio naturale: L'acqua viene immessa attraverso degli ugelli, quindi spruzzata verso il basso. L'aria con cui avviene lo scambio termico entra dal basso e quindi si genera un flusso controcorrente. Si crea questo tiraggio naturale perché

L'aria atmosferica ha una temperatura più bassa dell'aria che si trova all'interno della torre. L'aria ha già scambiato calore con l'acqua, dunque si è riscaldata: questa differenza di densità tra l'aria fredda e l'aria calda (più umida) provoca un'aspirazione dal basso e un effetto camino. Le griglie rappresentate in figura si chiamano impilaggi e servono a rallentare l'aria e a garantire che aria e acqua abbiano più tempo per stare a contatto, e quindi per migliorare scambio termico. Questi impilaggi, sebbene provochino delle perdite di carico, e quindi tendano a ridurre questo effetto di tiraggio, in realtà sono fondamentali perché rallentano l'aria. Queste torri hanno due forme: parallelepipedo e iperboloide, quest'ultima più comune e più frequente, poiché nella parte bassa dobbiamo avere la possibilità di far entrare tanta aria (=più

Lo spazio che abbiamo, più aria entra. Questo restringimento e riapertura crea un effetto Venturi che favorisce il fenomeno del tiraggio naturale. Ciò che fuoriesce dalla torre sarà vapore, in quanto l'aria entra a contatto con l'acqua: quest'ultima, raffreddandosi, autoevapora ed evaporando se ne va via con l'aria calda. Il fenomeno di evaporazione sottrae calore: l'acqua rimasta si sarà raffreddata perché sarà stato estratto calore nel processo di evaporazione.

Torri a tiraggio meccanico

La differenza con le torri a tiraggio naturale sta nel fatto che in quelle a tiraggio meccanico troviamo dei ventilatori che servono per aspirare aria e far uscire il vapore (nel caso di torri a sezione rettangolare). Il ventilatore può anche essere messo in basso per spingere l'aria. Abbiamo bisogno di un'azione meccanica per garantire la circolazione dell'aria.

Dimensionamento di una torre

Scriviamo il bilancio energetico e il bilancio di portata che ci consente di capire quanta portata d'aria ci serve e quanta portata di acqua dobbiamo reintegrare.

L'acqua che andiamo a reintegrare non viene trattata, per cui ha un certo contenuto salino. Nel momento in cui quest'acqua evapora, la concentrazione salina all'interno di questo dispositivo aumenta. (L'Acqua distillata ha dei costi più elevati).

Proprio per garantire dei livelli di concentrazione salina non elevati, tramite un rubinetto svuotiamo l'acqua, una volta che è stata raggiunta una certa concentrazione salina, in modo tale da diluire la soluzione.

Ovviamente i sali all'interno di qualsiasi dispositivo provocano corrosione e intasamenti. È chiaro che per garantire la giusta concentrazione e rispettare i valori di concentrazione salina adeguati, ogni tanto l'acqua viene spurgata per far entrare acqua a bassa concentrazione. È spesso

È necessario andare a effettuare questo spurgo. Il consumo di acqua è quindi legato ai tre scudetti contributi. Ci interessa conoscere anche la temperatura di entrata TE dell'acqua Ga e la temperatura TU dell'acqua in uscita, che dovremo raffreddare. Utilizziamo quindi lo stesso grafico visto quando abbiamo studiato l'ostillicidio, che ci fornisce quindi le condizioni dell'aria umida. L'aria avrà in ingresso una temperatura T1 e in uscita una temperatura T2. L'acqua si raffredda e l'aria si riscalda. Inizialmente l'aria si troverà con un certo titolo x1 per poi uscire nelle condizioni sature x2.

Avere una portata di spurgo significa avere una concentrazione salina limite oltre la quale non dobbiamo andare all'interno del dispositivo. Tutto il contenuto entalpico in ingresso è pari al contenuto entalpico in uscita. Dal consumo di massa e dal bilancio di contenuto salino:

Note le

pressione di vapore dell'acqua presente nell'aria. La pressione di vapore dipende dalla temperatura e dall'umidità relativa dell'aria. Utilizzando il diagramma psicometrico, possiamo determinare la temperatura di bulbo secco e la temperatura di bulbo umido dell'aria. La temperatura di bulbo secco rappresenta la temperatura dell'aria misurata con un termometro normale. La temperatura di bulbo umido, invece, viene misurata avvolgendo il bulbo di un termometro con una garza imbevuta d'acqua e ventilando l'aria intorno ad esso. La temperatura di bulbo umido è influenzata dall'evaporazione dell'acqua e quindi dalla presenza di umidità nell'aria. Una volta determinate le temperature di bulbo secco e umido, possiamo calcolare l'umidità relativa dell'aria utilizzando la formula: UR = (Pv / Pv_saturazione) * 100 dove UR rappresenta l'umidità relativa, Pv è la pressione di vapore dell'acqua presente nell'aria e Pv_saturazione è la pressione di vapore di saturazione dell'acqua a una determinata temperatura. La pressione di vapore di saturazione dell'acqua può essere calcolata utilizzando l'equazione di Antoine: Pv_saturazione = 10^(A - (B / (T + C))) dove A, B e C sono costanti specifiche per l'acqua e T è la temperatura in gradi Celsius. Una volta calcolata la pressione di vapore di saturazione, possiamo determinare la pressione di vapore dell'acqua presente nell'aria utilizzando la formula: Pv = (UR / 100) * Pv_saturazione dove UR rappresenta l'umidità relativa e Pv_saturazione è la pressione di vapore di saturazione calcolata in precedenza. In conclusione, utilizzando le temperature di bulbo secco e umido dell'aria, possiamo calcolare la pressione di vapore dell'acqua presente nell'aria utilizzando il diagramma psicometrico e le formule descritte sopra.